UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL INSTITUTO DE CINCIA E TECNOLOGIA DE ALIMENTOS

CURSO DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS

Recuperao de CO2 em Microcervejaria

Gustavo Verlang Krmer

Porto Alegre, Dezembro de 2010

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

INSTITUTO DE CINCIA E TECNOLOGIA DE ALIMENTOS CURSO DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS

Recuperao de CO2 em Microcervejaria

Monografia para obteno do Ttulo de Engenheiro de Alimentos.

Orientador: Vtor Manfroi

Porto Alegre, Dezembro de 2010

Recuperao de CO2 em Microcervejaria

Por Gustavo Verlang Krmer

Aprovado em: ____/____/____ Comisso de avaliao: _______________________________________________________________

Prof. Dr. Plinho Francisco Hertz _______________________________________________________________

Prof. Dr. Rafael Costa Rodrigues _______________________________________________________________

Prof. Dr. Vitor Manfroi (orientador)

AGRADECIMENTOS

Aos meus pais, Joo e Elva, que me deram muito apoio para estudar e continuar

estudando na UFRGS. Eles me serviram de exemplo, pois, vindo do interior, tiveram menos

oportunidades que eu, mas conseguiram estudar na UFRGS e vencer na vida. Aos meus

ancestrais que herdei a cultura e abriram caminho com seu trabalho. A toda minha famlia e

amigos que tornam a vida mais divertida. A todos os professores e funcionrios da

Universidade Federal do Rio Grande do Sul, que contriburam para que esta universidade

seja uma das melhores do Brasil. Ao professor Vitor Manfroi que orientador deste trabalho

e um grande amigo, que apesar de seu grande status dentro da vinicultura gacha e

brasileira, nunca deixou de ser uma pessoa simples e no negou suas origens, demonstrando

grande personalidade. Aos professores Plinho e Rafael que aceitaram o convite para ser

banca deste TCC e que esto aguardando este trabalho, faltando poucos dias para a defesa da

tese. Ao prof. Caciano que foi meu orientador do Salo de Iniciao Cientfica no incio do

curso. Aos grandes colegas e amigos que tive nesta faculdade, e espero que por meio da

tecnologia no percamos contato.

Agradecimentos s empresas e aos colegas que contriburam para meu crescimento

profissional onde fui estagirio: Olvebra, Cervejaria Ralf Beer e Cervejaria Schmitt. Ao

Artur Winter da cervejaria Ralf Beer e Gustavo Stefanello Dal Ri da cervejaria Schmitt, pela

oportunidade que me deram.

SUMRIO

1 INTRODUO................................................................................................................9

1.1 O Mercado Cervejeiro ..............................................................................................9 1.2 Microcervejarias .....................................................................................................10 1.3 Objetivos do Trabalho ............................................................................................11

2 REVISO BIBLIOGRFICA.......................................................................................11 2.1 A Histria da Cerveja .............................................................................................11 2.2 Ingredientes da Cerveja ..........................................................................................15

2.2.1 gua ...............................................................................................................15 2.2.2 Malte...............................................................................................................17 2.2.3 Lpulo.............................................................................................................19 2.2.4 Levedura .........................................................................................................21

2.3 Uso de CO2 na Indstria Cervejeira .......................................................................23 2.4 Fermentao e formao de CO2 ............................................................................24

2.4.1 Gravidade........................................................................................................24 2.4.2 Balano de Massa ...........................................................................................25

2.5 Perfil dos Gases de Sada do Fermentador. ............................................................27 2.6 Processos de Produo de CO2 ...............................................................................28 2.7 Compressores .........................................................................................................31

2.7.1 Compressores de Fluxo Contnuo...................................................................32 2.7.2 Compressores de Deslocamento Positivo.......................................................33 2.7.3 Compressores No-Lubrificados ....................................................................33

2.8 Diagrama de Mollier (Presso-Entalpia) ................................................................34 2.9 Diagrama Presso-Entalpia do CO2........................................................................35 2.10 Clculo da Potncia de Compresso.......................................................................37 2.11 Compresso em Mltiplos Estgios .......................................................................38 2.12 Propriedades do CO2, da gua e do O2 ..................................................................39

3 COMPRESSO DO DIXIDO DE CARBONO..........................................................39 3.1 Clculo da potncia conforme os estgios de compresso. ....................................42 3.2 Definio da quantidade de CO2 a ser comprimida e da presso final...................43

3.2.1 Compresso em um estgio. ...........................................................................43 3.2.2 Compresso em dois estgios. ........................................................................44 3.2.3 Compresso em trs estgios. .........................................................................46

4 PLANTA DE REAPROVEITAMENTO DE CO2 .........................................................47 5 CONCLUSO................................................................................................................49 6 BIBLIOGRAFIA............................................................................................................50

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Efeitos da composio inica da gua no processo cervejeiro (BOULTON;

QUAIN, 2001) ................................................................................................................16 Tabela 2: Quantidade de CO2 utilizado na indstria cervejeira (KUNZE, 1996). .................24 Tabela 3: Especificao para reaproveitamento de dixido de carbono (HAFFMANS, 1996

apud BOULTON; QUAIN, 2001) ..................................................................................27 Tabela 4: Propriedades fsicas do CO2 ...................................................................................39 Tabela 5: Propriedade fsica da gua......................................................................................39 Tabela 6: Propriedades fsicas do O2 ......................................................................................39

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: esquerda cevada de vrias fileiras (Mehrzeilige Gerste), direita cevada de duas

fileiras (Zweizeilige Gerste) (GERSTE, 2010). .............................................................18 Figura 2: Malte em diferentes tempos e temperaturas de secagem, dando origem a cores e

aromas diferentes (TREGS, 2010)...............................................................................19 Figura 3: Flores de lpulo (BEERBLOTTER, 2010).............................................................20 Figura 4: Lpulo cortado e glndulas lupulinas em amarelo (COMPONENTS, 2010).........21 Figura 5: Lpulo processado em pletes (HOP POWDER, 2010).........................................21 Figura 6: Levedura vista em microscpio eletrnico. As cicatrizes resultantes do brotamento

so claramente vistas (retirado de BAMFORTH, 2003). ...............................................23 Figura 7: Algumas caractersticas do progresso de uma tpica fermentao de alta gravidade

(BOULTON, sem data de publicao apud BOULTON; QUAIN, 2001). ....................27 Figura 8: Equipamento para coleta, purificao, estoque e liberao de CO2 (HOUGH et al,

1982 apud BRIGGS et AL, 2004) ..................................................................................29 Figura 9: Reaproveitamento de CO2, planta de liquefao e suprimento (BOULTON;

QUAIN, 2001) ................................................................................................................30 Figura 10: Campo de aplicao de compressores e ventiladores (HENN, 2001)...................32 Figura 11: Esquema do de um diagrama P-h (Mollier) para uma substncia pura

(VENTURINI; PIRANI, 2005) ......................................................................................35 Figura 12: Diagrama presso-entalpia do CO2 (AARTUN, 2002).........................................36 Figura 13: Diagrama de Mollier, compresso de um gs P1 at P2. Adaptado de

VENTURINI e PIRANI (2005)......................................................................................37 Figura 14: Esquema de um compressor diafragma aps admitir o gs para a compresso,

retirado de BLOCH (2006).............................................................................................40 Figura 15: Compressor diafragma comprimindo o gs, retirado de BLOCH (2006).............41 Figura 16: Compressor diafragma de dois estgios da empresa Sera, modelo MV5. A razo

de compresso de 1:10 por estgio, podendo comprimir at 200 bar, e presso de suco igual ou maior a 1 bar. ....................................................................................................41

Figura 17: Modelos de compressor diafragma da empresa Burton Corblin...........................42 Figura 18: Diagrama de Mollier, adaptado de AARTUN (2002). .........................................44 Figura 19: Compresso de CO2 em dois estgios adaptado de AARTUN (2002) .................45 Figura 20: Compresso de CO2 em trs estgios adaptado de AARTUN (2002) ..................46 Figura 21: Planta de recuperao de CO2 proposta para microcervejarias.............................48 Figura 22: Fluxograma do processo de recuperao de CO2..................................................49

RESUMO

O dixido de carbono muito utilizado nas cervejarias, em vrias etapas do processo,

como contrapresso em tanques, no envase para pressurizao de barris e garrafas, na

dispensa em mquinas, e em muitos outros casos. A quantidade de CO2 que uma indstria

cervejeira necessita pode ser fornecida pela prpria formao de CO2 da fermentao. As

grandes cervejarias possuem usinas de recuperao de CO2 para aplicar em seu prprio

processo, mas as microcervejarias compram CO2, aumentando os custos de produo. Os

gases da fermentao so compostos em mais de 99% de CO2, enquanto o CO2 obtido

comercialmente proveniente de queima de combustveis fsseis, com concentrao entre

14 a 18% de CO2, tornando onerosa a purificao do CO2. Foi proposta uma miniusina de

recuperao de CO2 para microcervejarias, em que o gs da fermentao comprimido em

torno de 70 bar e a separao dos gases e da umidade feita no tanque de armazenamento

por diferena de densidade, em temperatura ambiente.

Palavras-chave: CO2, recuperao de dixido de carbono, microcervejaria,

cervejaria, compressor diafragma.

ABSTRACT

Dioxide carbon is very used in breweries, in many process stages, such as counter

pressure in tanks, keg and bottle filler for pressurization, machine dispense and many cases.

The CO2 quantity witch one beer industry needs, can be supplied by its formation of

fermentation CO2. Large Breweries have CO2 recovery plant to apply in their process, but

the microbrewery buy CO2, increasing the production costs. Fermentation gases are

consisting of more than 99% of CO2, while the CO2 obtained commercially is coming from

burn fossil fuels, in concentration between 14 to 18% of CO2, becoming the CO2 purification

expensive. A miniplant of CO2 recovery was proposed for microbreweries, of which the

fermentation gas is compressed around 70 bar and the gases separation and humidity occurs

in storage tank, by density difference, in room temperature.

Key-words: CO2, dioxide carbon recovery, microbrewery, brewery, diaphragm

compressor,

9

1 INTRODUO

A cerveja faz parte da histria da humanidade, no s por questes de

entretenimento e confraternizao, como tambm por questes de sobrevivncia dos povos

primitivos. Portanto, mesmo que este trabalho seja sobre o processo de reaproveitamento de

CO2 de microcervejarias, muito importante citar a histria e a filosofia incrvel que esta

bebida nos traz. Por outro lado, uma bebida alcolica encarada com preconceitos por

muitas pessoas, sendo, em muitos casos, como a culpada pelos desastres que ocorrem

diariamente em acidentes de trnsito e brigas, entre outros. A verdadeira culpada disso tudo

uma minoria da populao, so os prprios seres humanos que, por falta de limites e

desrespeito s leis e s outras pessoas, abusam de seu consumo. Seria o mesmo que dar culpa

s armas e no queles que apertam o gatilho. Por estes motivos, muitas questes cientficas

deixam de ser acreditadas pela populao, encaradas como preconceito, de que o consumo

moderado dirio de cerveja traz inmeros benefcios sade e um dos responsveis pelo

benefcio o prprio lcool, sendo um remdio, quando consumido em pequenas doses.

Nesse sentido, o papel das microcervejarias muito importante, e elas possuem

bom potencial no mercado brasileiro. Ainda, h necessidade de educar a populao, dando

preferncia s cervejas de melhor qualidade, tornando rotina o consumo dirio e moderado

da bebida. O grande entrave das microcervejarias a alta carga tributria no Brasil, logo

uma planta de reaproveitamento de CO2 contribuiria muito para a reduo de custos de

produo, aumentado a competitividade com as grandes indstrias.

1.1 O Mercado Cervejeiro

De acordo com os dados do SINDICERV (Sindicato Nacional da Indstria da

Cerveja), o Brasil era o quarto maior produtor mundial de cerveja em 2007, com 10,37

bilhes de litros ao ano. Os maiores produtores so a China com 35 bilhes, Estados Unidos

com 23,6 bilhes e a Alemanha com 10,7 bilhes de litros ao ano. Em consumo per capta

(dados de 2002 e 2003), o Brasil ocupa a nona posio com 47,6 litros ao ano por pessoa. O

lder em consumo a Repblica Tcheca com 158 litros ao ano por pessoa. Isso mostra que o

10

Brasil tem um bom potencial de consumo, que freado pelo baixo poder aquisitivo da

populao (SINDICERV, 2010). 167 pases no mundo produzem mais de 144 bilhes de

litros de cerveja ao ano (EL MUNDO, 2005).

Confirmando esta tendncia, o consumo de cervejas em 2009 foi 10% maior que

o de 2008, alcanando 57,4 litros ao ano por pessoa no Brasil (GOMES, 2010).

De acordo com a pesquisa do Instituto Nilsen, quase 99% do mercado nacional

de cerveja dominado por quatro empresas: Ambev, 70%; Schincariol, 11,6%; Petrpolis,

9,6%; e a Femsa (comprada pela Heineken em 2010), 7,2%. As microcervejarias participam

em menos de 1% do mercado, havendo pelo menos 100 delas, sendo que a maior parte

encontra-se na regio sul (THOM, 2010).

Do valor final da cerveja, 54,8% so de tributos. Toda a indstria de bebidas

sofre com a alta carga tributria: 45,8% sobre refrigerantes; 43,9% sobre a gua mineral;

34% sobre a gua de coco (DE MELO, 2010).

1.2 Microcervejarias

No perodo anterior Revoluo Industrial, apenas existiam microcervejarias.

Muitas cidades da Europa tinham suas cervejarias, que fabricavam em baixas quantidades, e

diversos tipos de cervejas. Aps a revoluo industrial, com o invento das mquinas a vapor,

comeou a produo de cervejas em grande escala, em indstrias. Com isso, houve grande

desenvolvimento tecnolgico, melhorias de processos e, aos poucos, o conhecimento da

cincia da cerveja era mais bem entendida. Hoje, as marcas das grandes cervejarias

dominam o mercado, mas o preo disso a padronizao das cervejas. As grandes

cervejarias conseguem pr seu produto em praticamente todo o Brasil (e no mundo), e a

grande maioria das cervejas so as Pilsen, suaves e com pouco aroma e sabor.

Na contramo disso tudo, nos ltimos 15 anos, as microcervejarias esto

ganhando espao, pois fabricam outros tipos de cervejas alm das tradicionais Pilsen.

praticamente impossvel que uma cervejaria fabrique uma cerveja igual de outra cervejaria.

A tendncia disso tudo em cada cidade haver suas prprias microcervejarias, com cervejas

nicas, com estilos e sabores prprios. O consumidor ganha em qualidade e variedade, alm

de as microcervejarias poderem se integrar melhor comunidade. Com isso, cria-se a cultura

11

cervejeira, e esta bebida pode ter status to nobre quanto os bons vinhos, e no apenas como

uma bebida para matar a sede no vero, e sim, como algo saudvel que pode ser consumido

diariamente e com muita moderao. Ainda falta educar a populao para o consumo de

bebidas mais nobres e caras, pois se v muitas pessoas, com bom poder aquisitivo,

consumindo marcas de cervejas comuns e de qualidade duvidosa. Primeiramente, deve-se

derrubar o mito de que cervejas so todas iguais, pois com esta cultura que faz com que

as pessoas escolham as cervejas pelo preo, e no pela qualidade. Esse o trabalho que as

microcervejarias esto fazendo, de interagir com a comunidade, educando os consumidores a

conhecerem cervejas especiais.

1.3 Objetivos do Trabalho

O objetivo deste trabalho avaliar formas de como aproveitar o CO2 gerado em

microcervejarias, podendo ser utilizado no prprio processo cervejeiro, como tambm, no

reabastecimento de cilindros de CO2, para a dispensa de cervejas em mquinas (chopeiras) e

para o envase. Este processo reduz os custos de uma microcervejaria, evitando a compra de

CO2.

2 REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 A Histria da Cerveja

A cerveja resultado de 10000 anos de evoluo. Portanto, ao dizer que povos

antigos consumiam cerveja, esta era muito diferente da bebida que conhecemos hoje.

Acreditava-se que o consumo de cerveja teve origens no antigo Egito, porm as

mais antigas evidncias so dos povos da Mesopotmia (HORSNEY, 2003), atual Iraque,

entre os Rios Tigre e Eufrates, h 8000 anos a.C. Nesta poca, iniciou-se a agricultura,

perodo pr-histrico chamado de Neoltico, e a necessidade da armazenagem de alimentos.

12

muito provvel que o cereal utilizado pelos povos daquela regio era a cevada, pois esta

cultura adaptada ao clima adverso da Mesopotmia, e, alm disso, massas feitas desse

cereal tinham sabor desagradvel, ento era melhor utilizado para fazer bebidas. Esta cerveja

pr-histrica tinha fins alimentcios, era uma sopa de gros turva, espessa e cida que tinha

durabilidade vital para os meses de escassez de alimentos (CASS, 2003).

Em 4000 a.C., os povos sumrios que habitavam a Mesopotmia j desfrutavam

de uma bebida mais padronizada, no s para fins alimentcios, chamada de sikaru. Alguns

autores afirmam que a cerveja difundiu-se a partir da Mesopotmia, outros que surgiu no

Egito, e mais alguns que surgiu de maneira independente em vrios povos (CASS, 2003).

Po e cerveja eram os itens mais importantes da dieta dos egpcios (HORSNEY, 1999).

Em 1000 anos a.C., a cerveja estava consolidada entre os povos germnicos.

Aps a queda do imprio romano, nos lugares onde havia dominncia dos povos brbaros,

(norte e centro europeu) difundiu-se a cultura da cerveja, enquanto ao redor do mar

Mediterrneo, a cultura vincola (CASS, 2003). Fazer cerveja e po era tarefa domstica

comum realizada pelas mulheres (KUNZE, 1996), e tinha muita importncia, pois era parte

essencial da alimentao. A cerveja era fervida (EL MUNDO, 2005), cida e continha

lcool, sendo muito importante para evitar contaminao. Ento era mais seguro beber

cerveja do que gua, pois esta era de qualidade microbiolgica duvidosa (HOUGH, 1990).

Na Idade Mdia, a produo de cerveja passou para uma escala maior graas

religio crist e seus mosteiros e conventos, onde a cerveja no era produzida apenas para

seu prprio consumo, mas como forma de pagamento (KUNZE, 1996). Os mosteiros e

conventos tinham melhor situao econmica e melhor nvel cultural dos seus monges e

freiras (CASS, 2003). Os monges viajavam de mosteiro em mosteiro na Europa, em busca

de conhecimentos religiosos, difundindo e aperfeioando as tcnicas de fazer cerveja. Era

muito provvel que os cervejeiros testavam todos os tipos de ervas para aromatizar a cerveja

(EL MUNDO) e esta cerveja adicionada de ervas era chamada de Grut (KUNZE, 1996).

Uma das ervas utilizadas foi o lpulo, descoberto muito mais tarde (BAMFORTH, 2003),

em Hallertau, regio da Bavria, em 736 d.C., sendo um grande achado, pois o lpulo

aromatizante e conservante. (HORSNEY, 1999). Uma freira da Igreja Catlica teve um

papel muito importante na histria da cerveja: a Santa Hildegard Von Bingen documentou o

uso do lpulo, tornando seu uso popular. A Igreja foi muito importante para o

desenvolvimento da cerveja (EL MUNDO, 2005). No sculo XIV, o lpulo passou a ser a

nica erva utilizada na fabricao da cerveja (KUNZE, 1996)

13

Para evitar o uso de ingredientes de panificao, mais baratos, e de outras ervas

que no fosse o lpulo, o Duke Wilhelm IV da Baviera proclamou a Reinheitsgebot, lei da

pureza em alemo, em 23 de abril de 1516, na cidade de Ingolstadt (KUNZE, 1996). Esta lei

obrigava que a cerveja fosse fabricada apenas com gua, malte de cevada e lpulo

(ELINGER, 2009).

At o sculo XV, apenas conhecia-se a cerveja de alta fermentao, chamada de

Alt na Alemanha e de ale na Inglaterra (CASS, 2003). Neste perodo, monges de Munique

descobriram por acidente um tipo de cerveja que hoje chamamos de Lager, baixa

fermentao, ao deixar a cerveja fermentar em lugares de baixas temperaturas, conduzindo a

um novo tipo de levedura, dando origem a uma cerveja mais cristalina e suave. Atualmente,

as cervejas Lager correspondem a mais de 90% de produo mundial (EL MUNDO, 2005).

At o sculo XIX, no havia estudo cientfico das leveduras (CASS, 2003).

Fbricas inglesas de cervejas do estilo Porter foram as primeiras a produzir

cerveja em escala industrial, usando mquinas a vapor, no final do sculo XVIII (PRIEST;

STEWART, 2006).

Em 1810, comemoravam-se as bodas do prncipe Ludwig e da princesa Therese,

dando origem ao maior festejo pblico cervejeiro do mundo, a Oktoberfest de Munique, na

Alemanha (EL MUNDO, 2005).

A partir do sculo XIX, comearam a surgir inmeras descobertas cientficas que

tiveram ligao direta com a cincia da cerveja O cervejeiro alemo Josef Groll criou a

cerveja Pilsen, em Plsen (Pilsen), na Repblica Tcheca. A pilsen uma cerveja Lager muito

famosa e consumida hoje, pois uma cerveja clara, transparente, dourada, seca e leve,

diferente das Lager da poca, que eram escuras e doces (CASS, 2003). Gabriel Sedlmayr

foi um cervejeiro alemo que comeou a utilizar os avanos tecnolgicos na fabricao da

cerveja, como o sacarmetro, o termmetro e a mquina a vapor. Sedlmayr fundou a

cervejaria Spten que existe at hoje (EL MUNDO, 2005). Luis Pasteur demonstrou que

bactrias podiam alterar a cerveja (PRIEST; STEWART, 2006), mas Emil Christian Hansen,

do laboratrio Carlsberg em Copenhagen, descobriu que na verdade so as leveduras

selvagens que tambm causam as alteraes (BAMFORTH, 2003). Hansen afirmava que ao

controlar o processo, podiam-se isolar culturas de leveduras puras das leveduras selvagens

(HORSNEY, 1999). Luis Pasteur concluiu que a fermentao era o principal fator decisivo

para a cerveja tornar-se estvel (KUNZE, 1996).

14

Com o uso do microscpio, Luiz Pasteur descobriu que as bactrias alteravam o

sabor da cerveja mesmo depois de pronta. Ento, introduziu a tcnica da pasteurizao que

revolucionou as cervejarias, aumentando a durabilidade da cerveja. A pasteurizao permitiu

o desenvolvimento de grandes cervejarias, que poderiam armazenar as cervejas sem riscos.

(EL MUNDO, 2005). No final do sculo XIX, houve a reduo do nmero das cervejarias,

pois as pequenas cervejarias estavam sendo substitudas pelas grandes (CASS, 2003).

Nos Estados Unidos, Adolphus Busch introduziu todas as inovaes cientficas

possveis para criar a primeira cervejaria no seu pas. Sua cervejaria, Anheuser-Busch,

passou usar a pasteurizao e o transporte refrigerado para colocar sua cerveja em todo pas,

a Budweiser. A Budweiser era feita de cevada malteada e arroz, de sabor suave, para ser

aceita pelo maior nmero de pessoas (EL MUNDO, 2005).

Nos ltimos 30 anos, havia apenas grandes cervejarias que fabricavam cervejas

Lager, na Amrica do norte. Alm das grandes, comearam a surgir as pequenas cervejarias,

com diferentes cervejas e aromas que no eram conhecidos pelos americanos, mas aos

poucos foi conquistando um bom mercado. Em 1976, havia apenas 16 fbricas de cervejas

na Amrica do Norte, hoje, com o avano das pequenas cervejarias, so milhares (EL

MUNDO, 2005).

No Brasil, mais de 900000 hl de cerveja eram produzidos em 1913. A primeira

cervejaria a operar foi em 1836, na cidade do Rio de Janeiro, (ELINGER, 2009 apud Kb,

1999). De acordo com MELO (2000), o indcio da primeira cervejaria em 1836 veio de uma

publicao do Jornal do Commercio do Rio de Janeiro, que anunciava a cerveja da

Cervejaria Brazileira.

Em 1888, foi fundada no Rio de janeiro a Manufatura de Cerveja Brahma

Villigier e Cia e em 1891 a Companhia Antrtica Paulista. Em 1999, as duas maiores

cervejarias brasileiras, a Brahma e a Antrtica, uniram-se formando a American Beverages a

AmBev (VENTURINI FILHO, 2000).

Mundialmente, ocorreram fuses entre grandes cervejarias como a Belga-

brasileira InBev, formada pela Interbrew e a AmBev. Tambm entre as companhias SAB e

Miller e entre Coors e Molson (ELINGER, 2009).

15

2.2 Ingredientes da Cerveja

2.2.1 gua

A gua corresponde a cerca de 95 % do peso da cerveja, dependendo do tipo de

cerveja. utilizada para limpeza, resfriamento, gerao de vapor e outros, sendo para isto de

4 a 10 vezes maior que o volume gasto na produo de cerveja. A composio da gua

muito importante para cada tipo de cerveja: o alto contedo de sulfato de clcio ideal para

a fabricao das cervejas tipo Pale Ale, j guas mais brandas so ideais para as Pilsen.

guas ricas em bicarbonato de clcio (dureza temporal) so excelentes para cervejas mais

escuras. Com os estudos da composio qumica da gua, hoje possvel retirar e adicionar

sais para melhorar a qualidade da cerveja, podendo-se fabricar qualquer tipo de cerveja em

qualquer parte do mundo (HOUGH, 1990).

Dureza total a quantidade de minerais alcalinos terrosos, como clcio,

magnsio, estrncio e brio, sendo apenas clcio e magnsio medidos, e o restante

negligenciado. O clculo da dureza no carbonato a diferena entre a dureza total e a

dureza carbonato (ELINGER, 2009). Dureza carbonato chamada de dureza temporria,

so sais de clcio e magnsio ligados a carbonatos (CO3) e bicarbonatos (HCO3). Dureza

no-carbonato chamada de dureza permanente, so sais de clcio e magnsio ligados a ons

de sulfato (SO4-2), nitrato (NO3

-) e cloretos (Cl-). Sais de ferro e de magnsio so removidos

por aerao, pois so convertidos em formas insolveis e precipitados (KUNZE, 1996). A

tabela 1 mostra um bom resumo do efeito da composio inica da gua.

16

Tabela 1: Efeitos da composio inica da gua no processo cervejeiro (BOULTON; QUAIN, 2001)

on Efeito

Amnio Indicativo de contaminao com decomposio de material orgnico

Clcio Um dos mais significantes ons, com vrios efeitos. Interage com fosfatos e

protenas para reduzir o pH da mistura, promovendo a formao de um mosto

claro. Precipita oxalatos do mosto que podem causar turbidez na cerveja.

Ativa as -amilases e proteases na mistura. Promove a floculao das

leveduras no fim da fermentao. Inibe a extrao de resinas do lpulo em

alta concentrao. Tem um sabor amargo adstringente.

Cobre Em alta concentrao txico para as leveduras. Elimina H2S da cerveja e

sulfetos insolveis.

Ferro Txico para as leveduras. Pode produzir tubidez e alteraes na colorao da

cerveja.

Magnsio Reduz o pH do mosto pela interao com fosfatos, porm menos importante

que o clcio. Importante co-fator para muitas enzimas, especialmente aquelas

que catalisam o piruvato durante a fermentao. Componente essencial da

muitas enzimas envolvidas com o ATP.

Mangans Co-fator de muitas enzimas da levedura e do malte.

Potssio D sabor salgado cerveja.

Sdio Em combinao com cloreto, contribui para a suavidade na cerveja

Zinco Inibidor do crescimento das leveduras quando em altas concentraes (>1

ppm), porm estimula a fermentao em baixas concentraes (0,1-0,3 ppm).

Bicarbonato Em altas concentraes (>100 ppm), causa aumento do pH da mistura e

conseqentemente reduo na formao de extrato.

Cloreto Inibe a fermentao em altas concentraes (>600 ppm). Contribui para dar

corpo cerveja em baixas concentraes, porm pode dar sabor salgado em

concentraes acima de 400 ppm.

Nitrato Precursor de nitrosaminas formadas por Obesumbacterium proteus

Fosfatos Interage com clcio e magnsio para reduzir o pH do mosto durante a

mostura. Nutriente essencial para as leveduras.

Sulfatos Precursor da sntese de aminocidos que contm enxofre pelas leveduras, em

mostos com baixa quantidade de aminocido. Precursor da formao de

sulfetos pela levedura que melhora a estabilidade aroma da cerveja.

17

2.2.2 Malte

No Brasil, a cevada (Hordeum vulgare ssp. vulgare), para fins cervejeiros

cultivada desde a dcada de 30 (RIAS, 1995). O cultivo da planta realizado no sul do

Brasil, principalmente no Rio Grande do Sul e no Paran, em funo da melhor adaptao da

espcie ao clima temperado. Nos anos 90, a produo atingiu apenas um tero da capacidade

de malteao no Brasil. A razo para este dficit a instabilidade da quantidade e da

qualidade da cevada nacional e o maior custo do produto interno relativo ao importado

(MINELLA, 1999).

Vrios gros podem ser malteados, mas a cevada (figura 1) apresenta menores

problemas tcnicos, como por exemplo, ao maltear o milho, as gorduras rancificam-se. A

cevada tem maior proporo em amido que outros gros. O amido d origem ao extrato

fermentvel. J a quantidade de protenas na cevada suficiente para o crescimento das

leveduras e para a formao da espuma na cerveja pronta. Proporo alta de protenas no

desejvel. A cevada de duas fileiras mais interessante para as cervejarias que as de seis

fileiras, pois possui maior proporo de amido e menor de protena. Porm, a produtividade

no campo mais alta da cevada de seis fileiras, que mais interessante para o agricultor

(HOUGH, 1990).

Para a produo de malte (figura 2) o gro de cevada molhado para aumentar

sua umidade de 11 para 46%, em dois dias. Vrios aditivos podem ser utilizados nesta fase:

hidrxido de clcio ou de sdio para melhorar a extrao de fenis; formaldedo para

reduo da carga microbiana; perxido de hidrognio para aumentar a quantidade de

oxignio auxiliando na germinao. A fase de germinao dura cerca de cinco dias, e a

umidade cai de 46 para 43%. Durante esta fase h o crescimento do embrio e produo de

enzimas. Durante a fase de secagem, a umidade cai de 43 para 5%, matando o embrio. So

aplicados tempos temperaturas controlados para formao de compostos que do cor e

18

aroma ao malte (melanoidinas, furanos, pirroles, tiofenos e pirazinas) (PRIEST; STEWART,

2006).

A principal funo da malteao produo de enzimas. So elas:

Enzimas amilolticas - -amilase e amilase;

Enzimas citolticas - -glicanases e citases;

Enzimas proteolticas - proteases;

Enzimas de remoo de cido fosfrico fosfatases.

A -amilase a enzima mais importante, pois ela responsvel pela degradao do amido

do malte durante o processo cervejeiro (KUNZE, 1996).

Figura 1: esquerda cevada de vrias fileiras (Mehrzeilige Gerste), direita cevada de duas

fileiras (Zweizeilige Gerste) (GERSTE, 2010).

19

Figura 2: Malte em diferentes tempos e temperaturas de secagem, dando origem a cores e

aromas diferentes (TREGS, 2010)

2.2.3 Lpulo

O lpulo (Humulus lupulus), visto na figura 3, uma planta diica (h plantas

macho e fmea) e robusta, pertencente famlia do cnhamo, ou da maconha

(Cannabaceae), uma trepadeira e seus cones de flores femininas no polinizadas so

utilizadas no processo cervejeiro. A parte herbcea sazonal, porm as razes so perenes.

cultivado entre as latitudes 35 e 55, onde h grande tempo de exposio solar no vero

(ELINGER, 2009). O lpulo no possui substncias alucingenas (HOUGH, 1990).

O lpulo contm substncias amargas, que uma mistura de vrios cidos e

resinas. Estas substncias so muito importantes para a fabricao da cerveja, pois alm do

amargor so inibidores de crescimento microbiano e melhoram a estabilidade da espuma. Os

leos essenciais do lpulo so formados pela glndula lupulina (figura 4), sendo

responsveis pelo aroma e so parcialmente volteis durante a fervura do mosto. O lpulo

tambm contm polifenis, ou taninos, conferindo sensao adstringente, alm de precipitar

20

protenas complexas presente no mosto e de formar cor marrom-avermelhada, durante a

fervura (KUNZE, 1996).

O -cido (humulona) presente no lpulo, o principal componente que fornece

amargor cerveja. J os -cidos (lupulonas) so compostos similares, mas de menor

importncia. Durante o cozimento, os -cidos so isomerizados em iso--cido, ou

isohumulona, que so bem mais amargos e mais solveis que os -cidos (HOUGH, 1990).

Os -cidos contribuem nove vezes mais para o amargor que os -cidos (KUNZE, 1996).

O uso de cones (flores) secos de lpulo raro. mais usado o lpulo pr-

processado peletizado, visto na figura 5, em que modo e prensado em pletes, adicionado

de hidrxido de magnsio formando sais de magnsio de -cidos para melhor estabilidade.

Os pletes so embalados em ausncia de oxignio para melhor estabilidade. possvel

aquecer os pletes para pr-isomerizar os -cidos. Tambm, h a possibilidade do uso de

extrato de resinas e leos essenciais de lpulo, extrados com CO2, pois os solventes

orgnicos deixam resduos (BOULTON; QUAIN, 2001).

Figura 3: Flores de lpulo (BEERBLOTTER, 2010)

21

Figura 4: Lpulo cortado e glndulas lupulinas em amarelo (COMPONENTS, 2010)

Figura 5: Lpulo processado em pletes (HOP POWDER, 2010)

2.2.4 Levedura

Leveduras (figura 6) so fungos unicelulares que se reproduzem vegetativamente

por brotamento. As leveduras utilizadas para as cervejas ales, ou de alta fermentao, so as

Saccharomyces cerevisiae. A temperatura de fermentao das ales entre 18 e 22C. J para

as cervejas de Lager, ou de baixa fermentao, so as Saccharomyces carlsbergensis, mais

22

tarde classificadas como Saccharomyces uvarum, e depois como Saccharomyces cerevisiae

var. carlsbergensis e por fim como Saccharomyces pastorianus. A temperatura de

fermentao das Lager entre 7 a 15C (PRIEST; STEWART, 2006). Com o emprego de

tcnicas modernas, revelou-se que as leveduras usadas na alta e na baixa fermentao

possuem muitas diferenas genticas (ELINGER, 2009).

A diferena entre a parede celular que define se as leveduras iro flutuar

durante a fermentao ou depositar no fundo. Algumas cepas de leveduras tm dificuldade

de se separar da clula me, formando aglomerados, assim sedimentam-se mais facilmente.

Outras cepas so floculantes, pois cada clula atrada por outra formando flocos, acredita-

se que seja causada, em parte, por pontes de clcio e ligaes de hidrognio (HOUGH,

1990).

As leveduras so capazes de metabolizar acares tanto em presena de oxignio

(aerobiose, respirao) produzindo mais energia, ou em ausncia de oxignio, produzindo

menos energia (anaerobiose, fermentao). As leveduras apenas conseguem metabolizar

mono-, e dissacardeos. Polissacardeos, como o amido, no so metabolizveis. As reaes

qumicas ocorridas podem ser resumidas em:

carbono de dixido gua oxignio glicose

CO6OH 66O OHC 2226126++++

Respirao

carbono de dixido etanol glicose

CO2OHHC 2 OHC 2526126++

Fermentao

Estas equaes so apenas resumo, pois as reaes so muito mais complexas (KUNZE,

1996).

As leveduras so responsveis por quatro mudanas importantes na fermentao:

(1) transformao do acar em lcool; (2) formao de cidos e remoo de tampes

baixando o pH; (3) carbonatao, causada pela formao de CO2; (4) produo e liberao

de vrios compostos metablicos, normalmente em baixas concentraes (LEWIS;

BAMFORTH, 2006).

Leveduras selvagens podem causar problemas na cerveja, como aromas

anmalos, turbidez de difcil remoo e formao de filme no topo do mosto fermentado.

Alguns contaminantes podem ser outras cepas de Saccharomyces cerevisiae, ou de espcies

do mesmo gnero. Outros exemplos de contaminantes so: Candida, Pichia, Hansenula ou

Torulopsis (HOUGH, 1990).

23

Figura 6: Levedura vista em microscpio eletrnico. As cicatrizes resultantes do brotamento

so claramente vistas (retirado de BAMFORTH, 2003).

2.3 Uso de CO2 na Indstria Cervejeira

O CO2 pode ser usado na indstria, entre outras operaes para: (a) asperso na

cerveja durante a maturao; (b) contrapresso em tanque de estocagem de cerveja; (c) purga

de filtros e de linhas de transferncia; (d) operao de envase (PRIEST; STEWART, 2006).

As cervejarias compram muito CO2 para usar no processo e na dispensa de

cerveja em barril, sendo que um produto caro. No total, so usados em torno de 1,8-2,0 kg

de CO2 para cada hectolitro de cerveja. A tabela abaixo mostra o quanto de CO2 utilizado

em vrios processos (KUNZE, 1996).

24

Tabela 2: Quantidade de CO2 utilizado na indstria cervejeira (KUNZE, 1996).

Kg CO2/hl

Contrapresso em tanque de estocagem e para esvazi-lo 0,35-0,50

Contrapresso no filtro e para esvazi-lo 0,40-0,50

Pressurizao de tanque 0,30-0,50

Contrapresso na enchedora de garrafas sem pr-evacuao 0,18-0,22

Contrapresso na enchedora de garrafas com pr-evacuao 0,35-0,40

Enchedora de barris com contrapresso 0,90-1,10

Enchedora de latas 0,60-0,80

Ajuste de carbonatao 0,10-0,20

Carbonatao total 0,50-0,70

Caminho tanque 0,30-0,50

Dispensa (chopeiras) 0,20-0,50

2.4 Fermentao e formao de CO2

2.4.1 Gravidade

A maneira de medir a quantidade de acares dissolvidos no mosto atravs da

gravidade, expressa em P (Plato). 1P corresponde a 1 grama de slidos dissolvidos em 100

gramas de mosto. Como o lcool possui densidade menor que a densidade da gua, medida

que os acares vo sendo consumidos pelas leveduras e transformados em lcool, a

gravidade do mosto reduzida. Esta reduo chamada de graus de atenuao. A

porcentagem de fermentabilidade, mostrada na equao 1, a proporo de slidos

dissolvidos no mosto que podem ser fermentados. A mais baixa gravidade alcanada aps a

fermentao chamada de atenuao limite da gravidade, ou atenuao limite aparente

(BRIGGS et al, 2004).

25

1100P)( original Gravidade

P)final( Gravidade - P)( original Gravidade (%) lidadeFermentabi

=

(BRIGGS et al, 2004)

Para saber a verdadeira gravidade, atenuao real, isto , a quantidade de

acares ainda presente no mosto depois de fermentado, deve-se remover o lcool do mosto.

A atenuao real aproximadamente 80% da atenuao aparente. A atenuao limite

aparente apenas obtida em laboratrios, sob condies especiais, com leveduras pr-

lavadas com mosto e fermentao com mosto filtrado a 25C. Nas cervejarias, a atenuao

limite aparente geralmente no alcanada. Se houver uma grande diferena entre a

atenuao final e a atenuao limite aparente, ento h extrato fermentvel presente na

cerveja, representando risco de contaminao por leveduras e bactrias (BRIGGS et al,

2004).

2.4.2 Balano de Massa

A seguir, esto descritas as mudanas ocorridas durante a fermentao de uma

cerveja Lager de alta gravidade, isto , fermentada a partir do mosto concentrado. A

temperatura inicia-se em 11C, permitido-se aumentar at 12C, sendo controlada. A fase

lag de crescimento das leveduras dura em torno de 12 a 24 horas, e h poucas alteraes da

gravidade, biomassa e contedo de lcool. J nas primeiras 24 horas, o contedo de oxignio

cai para nveis no detectveis, e os nveis de Amino-nitrognio livre (free amino nitrogen,

FAN) comeam a cair acompanhados do declnio do pH. A taxa do declnio da gravidade

especfica mxima entre 24-36 horas, conseqentemente a taxa de formao de lcool e de

gerao de biomassa mxima neste intervalo. Aps 80 horas, o FAN e o pH atingem os

nveis mnimos. O mnimo valor da gravidade especfica, e mxima quantidade de lcool e

de biomassa acorrem aps 100 horas. A figura 7 mostra graficamente as modificaes. Um

balano de massa simplificado do processo est escrito abaixo (BOULTON; QUAIN, 2001).

26

)5()42()45()25()1()150()150(

leveduraCO etanoloxigniolevedura(FAN) livre nitrognio aminoaucar1111111

2

+++++

lglglglmggllmglg

(BOULTON; QUAIN, 2001)

A converso de acar em lcool em torno de 88% do valor terico, pois os outros

12% so utilizados pela levedura para gerar biomassa adicional e outros produtos

metablicos de crescimento. A gerao de lcool e de CO2 em proporo equimolar (Oura

et al., 1980 apud BOULTON; QUAIN, 2001).

Abaixo, outro balano de massa e a energia liberada durante a fermentao:

)50()8,46()8,48()5()5,0()100(

energia COetanol leveduracido aminomaltose 2Kcalggggg

++++

(BAMFORTH, 2003)

27

Figura 7: Algumas caractersticas do progresso de uma tpica fermentao de alta gravidade

(BOULTON, sem data de publicao apud BOULTON; QUAIN, 2001).

2.5 Perfil dos Gases de Sada do Fermentador.

Na tabela 3, mostrada a composio qumica dos gases formados durante a

fermentao. Nota-se que a quantidade de CO2 alta, correspondendo a 99,998 % dos gases

formados.

Tabela 3: Especificao para reaproveitamento de dixido de carbono (HAFFMANS, 1996

apud BOULTON; QUAIN, 2001)

Parmetro Especificao

Dixido de carbono >99,998% (v/v)

Sulfeto de hidrognio (H2S)

28

2.6 Processos de Produo de CO2

O processo de produo comercial de CO2 obtido das seguintes formas:

1. Gases de combusto (leo combustvel, gs combustvel, coque) contendo de

10 a 18% de CO2;

2. Indstrias de fermentao, sendo que o gs contm cerca de 99% de CO2;

3. Co-produto das operaes dos fornos de cal, contendo de 10 a 40% de CO2.

Nos processos 1 e 3 deve-se concentrar o CO2 at chegar em torno de 99%, por absorso

seletiva de etanolaminas. Os processos 1 e 3 so mais complexos e caros que o processo 2

(SHREVE; BRINK, 1997).

A quantidade de CO2 que pode ser coletada gerada pela fermentao em torno

de 2,0 kg/hl. J a quantidade de CO2 requisitada na indstria cervejeira em torno de 1,8 a

2,0 kg/hl. Praticamente todo CO2 coletado pode ser usado novamente no processo (KUNZE,

1996). BRIGGS et al (2004) afirmam que a quantidade de CO2 utilizada na indstria de 1,3

a 2,0 kg por hectolitro de cerveja produzida.

A figura 8 mostra o desenho de equipamentos de reaproveitamento de CO2 numa

cervejaria. O gs armazenado em um balo, passa por um lavador de gs com gua, sendo

comprimido entre 18-22 bar. O CO2 resfriado para ser liquefeito e seco com secadores de

alumina e estocado em forma liquida (BRIGGS et al, 2004).

29

Figura 8: Equipamento para coleta, purificao, estoque e liberao de CO2 (HOUGH et al,

1982 apud BRIGGS et AL, 2004)

A figura 9 mostra o desenho da planta de recuperao de CO2 de uma forma mais

simplificada e um pouco diferente que a figura 8.

Os filtros de carvo ativado so necessrios para remoo de etanol e componentes

volteis como steres, dimetil sulfeto e sulfeto de hidrognio (gs sulfdrico). Os filtros so

construdos em pares, pois enquanto um usado, o outro regenerado. As colunas de

secagem so usadas para retirar a umidade do gs, pois se houver umidade, esta ir congelar

no tanque de estocagem de CO2. A liquefao no tanque de estocagem alcanada com a

combinao de baixa temperatura e presso, -24C e 17 bar. A concentrao de oxignio

deve estar abaixo de 0,2% (v/v), ou a liquefao no ser possvel (BOULTON; QUAIN,

2001).

30

Figura 9: Reaproveitamento de CO2, planta de liquefao e suprimento (BOULTON;

QUAIN, 2001)

31

2.7 Compressores

Compressores so mquinas de fludo que promovem aumento do nvel energtico de

um fludo a partir do fornecimento de energia mecnica, havendo alterao significativa da

densidade, no caso de gases. A figura 9 mostra o campo de aplicao de diferentes tipos de

compressores alm dos ventiladores. Ventilador uma mquina de fludo em que a alterao

da densidade do gs desprezada, considerando o fludo incompressvel (HENN, 2001).

Os compressores podem ser divididos em dois grupos, segundo PERRY e GREEN

(1997)

1. Compressor de fluxo contnuo

a. Compressor centrfugo

b. Compressor de fluxo axial

2. Compressor de deslocamento positivo

a. Compressor rotativo

b. Compressor alternativo.

32

Figura 10: Campo de aplicao de compressores e ventiladores (HENN, 2001)

2.7.1 Compressores de Fluxo Contnuo

Compressores axiais so usados para aplicao em mdias e grandes potncias,

enquanto os centrfugos so para potncias menores. Compressores centrfugos so

compostos por rotor (parte mvel) e por difusor (parte estacionria). O compressor pode ter

um ou mais estgios, e cada estgio ter um rotor e um difusor (GIAMPAOLO, 2010).

Compressores centrfugos so utilizados para grandes vazes de gs. Nos

compressores centrfugos (ou radiais), o escoamento do gs ocorre de forma perpendicular

33

ao rotor. A vazo de trabalho entre 2000 a 100000 m3/h e a presso de descarga pode

atingir a 600 bar. Nos compressores axiais, o fluxo de gs ocorre na direo paralela ao eixo

no rotor. A vazo de trabalho entre 50000 a 1500000 m3/h, e a presso diferencial pode

atingir em torno de 10 bar. As turbinas, ou turbocompressores, so exemplos de

compressores de fluxo contnuo (HENN, 2001).

2.7.2 Compressores de Deslocamento Positivo

Compressores de deslocamento positivo so utilizados para pequenas e mdias

vazes (abaixo de 1000 m3/h) e altas presses (de 1 bar, ou menos, at valores superiores a

3000 bar). A compresso ocorre entre a carcaa da mquina e um elemento com movimento

alternativo ou rotativo.

1. Compressores alternativos

a. de mbolo ou pisto vazes at 10000 m3/h e presses que

podem superar 3000 bar;

b. de diafragma ou membrana vazes at 10 m3/h e presses acima

de 1000 bar;

2. Compressores rotativos

a. de palhetas vazes entre 20 a 5000 m3/h e presses at 9 bar;

b. de parafuso vazes de 50 a 50000 m3/h e presses at 40 bar;

c. de lbulos vazes de 20 a 30000 m3/h e presses at 1 bar;

d. de anel lquido vazes de 20 a 10000 m3/h e presses de 3 bar

(HENN, 2001)

2.7.3 Compressores No-Lubrificados

Compressor no lubrificado designado para comprimir ar ou gs sem contaminao

do fluxo pelo leo lubrificante (GIAMPAOLO, 2010). A desvantagem destes compressores

34

no-lubrificados que so de custo mais alto, a temperatura de descarga do gs comprimido

e a razo de compresso devem ser mais baixa que um compressor similar lubrificado,

necessitando de mais estgios de compresso (visto no captulo 2.11) (HANLON, 2001).

2.8 Diagrama de Mollier (Presso-Entalpia)

As propriedades termodinmicas de um gs podem ser representadas por diagramas,

como o caso do diagrama de Mollier. Na figura 11, a regio esquerda da curva de lquido

saturado (X=0), a regio conhecida como lquido sub-resfriado. Entre a regio de lquido

sub-resfriado (X=0) e vapor saturado (X=1), a regio conhecida de vapor-mido, em que

h mistura de vapor e lquido. Na regio direita do vapor saturado (X=1), a regio

conhecida como vapor superaquecido.

Onde: T = temperatura

S = entropia

V = volume

(VENTURINI; PIRANI, 2005)

35

Figura 11: Esquema do de um diagrama P-h (Mollier) para uma substncia pura

(VENTURINI; PIRANI, 2005)

2.9 Diagrama Presso-Entalpia do CO2

Na figura 12, mostrado o digrama de Mollier de presso versus entalpia para o CO2.

A presso mostrada em MPa, sendo que 0,1 MPa corresponde a 1 Bar. Este diagrama ser

utilizado para os clculos necessrios para a compresso do CO2, apresentado nos captulos

seguintes. Alm dos dados de presso e entalpia, o diagrama mostra a temperatura do gs e a

entropia. Tambm, pode-se determinar a temperatura do gs aps comprimi-lo, sabendo que

ao comprimir um gs, este aumenta a temperatura e ao expandir, diminui.

36

Figura 12: Diagrama presso-entalpia do CO2 (AARTUN, 2002)

37

2.10 Clculo da Potncia de Compresso

Para o clculo da potncia de compresso de um gs, utiliza-se o diagrama de

Mollier. Admite-se que durante a compresso, o processo ocorre em regime adiabtico, isto

, no h transferncia de calor entre o gs e o meio externo durante a compresso. Tambm,

considera-se um processo de compresso reversvel, desprezando-se as perdas por atrito. Se

um processo adiabtico e reversvel, a compresso ocorre em estado isoentrpico,

possibilitando o uso do diagrama de Mollier para os clculos (STOECKER; JABARDO,

1998).

Figura 13: Diagrama de Mollier, compresso de um gs P1 at P2. Adaptado de

VENTURINI e PIRANI (2005).

Como mostrado na figura 13, determina-se a entalpia (h1 e h2) correspondente s

presses P1 e P2. Para o clculo da potncia de compresso, usa-se a equao 2.

2)12( hhmP =

38

onde:

P = potncia em W

m = taxa mssica de gs em kg/s

h1 = entalpia do gs correspondente a presso P1 em kJ/kg

h2 = entalpia do gs correspondente a presso P2 em kJ/kg

(STOECKER; JABARDO, 1998)

2.11 Compresso em Mltiplos Estgios

Compresso em um nico estgio quando o gs comprimido em um nico

elemento, ou em vrios elementos em paralelo. Compresso em mltiplos estgios quando

dois ou mais elementos comprimem o gs em srie, geralmente com resfriamento

intermedirios entre os estgios para reduo de temperatura e do volume. Cada estgio

figurado como um compressor separado. A vantagem de se comprimir em mais estgios

para evitar altas temperaturas de descarga do compressor, como ocorre quando o gs

comprimido num nico estgio, em alta razo de compresso, isto , elevao muito alta da

presso. H uma boa relao terica, equao 3, para se determinar a presso de entrada dos

estgios posteriores, para uma mnima potncia de compresso e bom resfriamento entre os

estgios.

3s ts rr =

onde: rs = razo de compresso por estgio;

s = nmero de estgios;

rt = razo de compresso global (Pfinal/Pinicial);

(BLOCH, 2006)

39

2.12 Propriedades do CO2, da gua e do O2

As tabelas 4, 5 e 6 mostram algumas propriedades fsicas do CO2, da gua e do O2

Tabela 4: Propriedades fsicas do CO2

Propriedades do CO2 Referncia

Massa molar 44,010 SMITH et al, 2007

Temperatura crtica 304,2 K (31,05C) SMITH et al, 2007

Presso crtica 73,83 bar SMITH et al, 2007

Volume crtico 94 cm3/mol (2,1359 cm3/g) SMITH et al, 2007

Densidade no ponto Crtico =

1/Volume crtico

0,468 g/cm3 SMITH et al, 2007

Densidade a 300K a 1 ATM 1,7730 kg/m3 INCROPERA;

DEWITT, 2003

Tabela 5: Propriedade fsica da gua

Propriedade Referncia

Densidade (em 305K ou 31,85C) 0,995 g/cm3 INCROPERA;

DEWITT, 2003

Tabela 6: Propriedades fsicas do O2

Propriedades do O2 Referncia

Massa molar 31,999 SMITH et al, 2007

Temperatura crtica 154,6 K (-118.55C) SMITH et al, 2007

Presso crtica 50,43 bar SMITH et al, 2007

3 COMPRESSO DO DIXIDO DE CARBONO.

O compressor de dixido de carbono no pode contaminar o gs com nenhum

lubrificante, portanto a cmara de compresso deve estar isenta de leo. Os compressores de

40

diafragma vendidos no mercado oferecem esta opo de compresso sem contaminao por

leo.

Compressores de diafragma so mquinas de deslocamento positivo em que o

elemento de compresso um diafragma de metal, ou um grupo de diafragmas. A

compresso ocorre indiretamente por um pisto, que por meio de fludo hidrulico pressiona

o diafragma, comprimindo o gs. No h lubrificao na cmara de compresso. O processo

mostrado nas figuras 14 e 15 (BLOCH, 2006). Na figura 16, apresentado um compressor

de diafragma.

Figura 14: Esquema de um compressor diafragma aps admitir o gs para a compresso, retirado de BLOCH (2006)

41

Figura 15: Compressor diafragma comprimindo o gs, retirado de BLOCH (2006)

Figura 16: Compressor diafragma de dois estgios da empresa Sera, modelo MV5. A razo

de compresso de 1:10 por estgio, podendo comprimir at 200 bar, e presso de suco

igual ou maior a 1 bar.

42

3.1 Clculo da potncia conforme os estgios de compresso.

Os estgios de compresso so para evitar superaquecimento do gs de compresso,

causando problemas no compressor, conforme comentado no captulo 2.11. Tendo dados

como, tipo de gs, quantidade (volume de suco), temperatura e presso de entrada, presso

a ser comprimido (presso de sada), o fabricante de compressores ir sugerir qual a

dimenso e quantos estgios de compresso dever ter o compressor. A figura 17 mostra um

catlogo de modelos de compressor, com relao presso de compresso e vazo de gs.

Figura 17: Modelos de compressor diafragma da empresa Burton Corblin.

43

3.2 Definio da quantidade de CO2 a ser comprimida e da presso final

Conforme os dados apresentados no captulo 2.6, de que a quantidade de CO2

aproveitvel por hectolitro de 2,0 kg, os clculos da potncia de compressor sero feitos

simulando uma microcervejaria que produz em torno de 100 hectolitros (10000 litros) ao

ms. Com isso, pode-se comprimir at 200 kg de CO2 ao ms, isto , 112,8 m3 de CO2. Com

um fermentador de 5000 litros, pode-se gerar 100 kg (56,4m3) de CO2 entre 4 a 7 dias,

exigindo do compressor uma vazo mdia de 0,33 at 0,59 m3/h. Portanto os clculos para a

compresso iro usar o dado de 0,59 m3/h que corresponde a uma taxa mssica mdia de

1,046 kg/h (0,0002905 kg/s).

A presso de compresso definida ser logo abaixo do valor da presso crtica do

CO2, isto 73,83 bar. Ento, nos clculos, o CO2 ser comprimido at 70 bar, pois nessa

presso o CO2, poder ser armazenado lquido em temperatura ambiente.

3.2.1 Compresso em um estgio.

Conforme mostrado na figura 18, ao extrapolar graficamente a curva de compresso

isoentrpica, desde 1 bar (0,1 MPa) ate 70 bar (7 MPa), a temperatura de descarga do gs

seria muito alta, no podendo ser definida graficamente. Olhando para o grfico, percebe-se

que a temperatura de descarga seria bem acima de 200 C, podendo ocasionar problemas ao

compressor, assim como o consumo de energia ser muito grande.

44

Figura 18: Diagrama de Mollier, adaptado de AARTUN (2002).

3.2.2 Compresso em dois estgios.

Conforme a equao 3, define-se a razo de compresso entre os estgios.

3s ts rr =

2

70170

=

===

s

PP

rinicial

finalt

36,8=sr

Com este valor, cada estgio amplia em 8,36 vezes a presso de entrada.

Do grfico (figura 19), obtm-se os valores das entalpias: h1 = 808 kJ/kg, h2 = 958

kJ/kg, h3 = 760 kJ/kg e h4 = 880 kJ/kg. Da frmula 2 calcula-se a potncia de compresso

em cada estgio, com a taxa mssica definida no captulo 3.2.1, que 0,0002905 kg/s. No

estgio 1, a temperatura do gs de 25C. Entre os estgios 1 e 2, a temperatura do gs de

-20C, pois se considera que h resfriamento forado entre os estgios. Este resfriamento

forado necessrio para que a temperatura de descarga do gs no segundo estgio no seja

45

muito alta. Se a temperatura do gs estiver em 20 C entre o primeiro e segundo estgios, a

temperatura de descarga no segundo estgio seria em torno de 200 C

2)12( hhmP =

Clculo da potncia de compresso no estgio 1:

WsJhhmP ][/575,43)808958(0002905,0)12( ====

Clculo da potncia de compresso no estgio 2:

WsJhhmP ][/86,34)760880(0002905,0)34( ====

Potncia total de compresso = 78,435 W

Figura 19: Compresso de CO2 em dois estgios adaptado de AARTUN (2002)

46

3.2.3 Compresso em trs estgios.

Conforme a frmula 3, a razo de compresso entre os estgios de 4,12. Os valores

das entalpias obtidas pelo grfico (figura 20) so: h1 = 808 kJ/kg, h2 = 912 kJ/kg, h3 = 808

kJ/kg, h4 = 878 kJ/kg, h5 = 792 kJ/kg e h6 = 885 kJ/kg. No h resfriamento forado,

portanto a temperatura do gs em torno de 25 a 30 C entre os estgios.

Clculo da potncia de compresso no estgio 1:

WsJhhmP ][/212.30)808912(0002905,0)12( ====

Clculo da potncia de compresso no estgio 2:

WsJhhmP ][/34.20)808878(0002905,0)34( ====

Clculo da potncia de compresso no estgio 3:

WsJhhmP ][/02,27)792885(0002905,0)56( ====

Potncia total de compresso = 77,57 W

Figura 20: Compresso de CO2 em trs estgios adaptado de AARTUN (2002)

47

4 PLANTA DE REAPROVEITAMENTO DE CO2

A planta de reaproveitamento proposta para as microcervejarias, como mostrado na

figura 21, mais simples que as plantas encontradas na bibliografia (captulo 2.6). A

separao da umidade ocorre no tanque de armazenagem, por diferena de densidade. Como

a densidade da gua maior que a do CO2 lquido, ela ir armazenar-se no fundo do tanque

de CO2. Assim, pode-se retirar a gua purgando-a do fundo do tanque. Alm disso, a gua

uma substncia polar, enquanto o CO2 apolar, sendo uma mistura de duas fases de fcil

separao. No somente gua, como outras substncias solveis estaro misturadas, assim

como o prprio CO2, formando cido carbnico. Com a formao de cido carbnico,

previsto que a soluo aquosa seja cida, podendo reduzir a vida til do tanque de

armazenagem, promovendo a corroso das paredes. Portanto, a superfcie interna do tanque,

dever ser revestida com material resistente corroso.

Em lugares em que a temperatura alcance valores superiores a temperatura crtica do

CO2 (31,05C), o CO2 armazenado no estaria no estado lquido, e sim no estado

supercrtico. Portanto a temperatura do tanque dever ser reduzida a valores abaixo de

31,05 C. Uma alternativa proposta a utilizao de tanques de armazenagem de CO2 com

isolamento trmico e vlvula de alvio de presso, liberando presso quando esta estiver

acima da presso crtica do CO2 (73,83 bar). A liberao de presso ir expandir o gs,

causando a reduo de temperatura dentro do tanque. Assim, a temperatura do CO2 ficar

abaixo da temperatura crtica, permanecendo em estado lquido. Conforme visto na tabela 4,

a temperatura crtica do O2 muito baixa (-118,55 C), no podendo ser liquefeito no tanque.

Mesmo assim, a quantidade de O2 presente nos gases de fermentao no detectvel

conforme visto no captulo 2.4.2.

Se o objetivo do armazenamento de CO2 for o enchimento de cilindros com lquido,

na sada do tanque dever haver uma bomba de diafragma, com funcionamento similar aos

compressores de diafragma, porm com diferenas de presso menores.

O balo, como visto na figura 21, funciona como um tanque pulmo, pois a taxa de

formao de CO2 durante a fermentao varivel, e a taxa mssica de compresso

constante. O balo feito de material flexvel, como lonas, podendo variar seu volume para

o armazenamento de gs. O separador de espuma um recipiente em que o gs proveniente

do fermentador borbulhado em gua, evitando que a espuma da fermentao entre na linha.

48

Controles automticos, com sensores de vazo, devero acionar e desligar o compressor

diafragma. Dentro do tanque, deve haver uma bia para controle do nvel de CO2 do tanque.

Se o nvel estiver acima do especificado, o compressor no acionado, e o excesso de CO2,

dever escapar pelo balo. O processo explicado de forma simplificada em fluxograma da

figura 21.

.

Figura 21: Planta de recuperao de CO2 proposta para microcervejarias

49

Figura 22: Fluxograma do processo de recuperao de CO2

5 CONCLUSO

A recuperao de CO2 em microcervejarias perfeitamente plausvel, porm dever-

se- realizar um estudo para definir qual a quantidade mnima de cerveja que uma

microcervejaria dever produzir, para que o investimento tenha retorno. Conforme calculado

no captulo 3, a potncia de compresso para a produo de 10000 litros ao ms, em tanque

de 5000 litros, muito baixa, no chegando a 80 Watts, podendo ser usado compressor de

baixa capacidade, com preo mais acessvel. Logicamente, a potncia do motor do

compressor ser maior que os 80 Watts. A reutilizao do CO2 para microcervejarias ajuda a

reduzir as emisses na atmosfera. H necessidade de testes na planta de recuperao de CO2

proposto na figura 21, para melhorias no processo.

Armazenamento em alta presso

Compresso

Pr-armazenamento no balo

Separador de espuma

Gerao de gs no fermentador

Espuma

Gases volteis e condensado

50

6 BIBLIOGRAFIA

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